超声波电机的制作方法

1.本实用新型涉及电机技术领域，更具体地，涉及一种超声波电机。


背景技术：

2.超声波电机是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器，利用电能产生超声振动获得驱动力，通过摩擦耦合将动力转换成转子或滑块的运动。相对于传统的电机而言，超声波电机的惯性小、响应快、可控制性好、不受磁场影响，同时本身也不产生磁场、定位精度高。超声波电机还具有重量轻、结构简单、效率高、噪音小、低速大转矩、可直接驱动负载等特性。由于直接驱动负载，避免了使用齿轮变速而产生的振动噪音、间隙以及低效率、难控制等问题。因此，超声电波电机是一种全新的自动控制执行元件，也是一种崭新的传动模式，是对传统电磁驱动原理的突破和有力的补充。
3.环形超声波电机是应用最为广泛的超声波电机。目前的环形行波超声波电机，利用定子的弯曲振动模态，在定子环上激励出超声振动，在定子环内通过支撑板将定子固定，定子和转子间的接触在外围，转子和中间的转轴相连以输出扭矩。整个电机的外形接近于一扁形的圆筒，一根转轴从圆筒中心穿过。环形行波超声波电机产生驱动力的位置在圆环上，圆环内侧的空间被转轴和支撑板占用，使行波电机在需要中空结构的旋转平台等领域的应用受到限制。
4.因此，亟需设计一种新型的超声波电机，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种超声波电机，以解决现有的环形超声波电机的缺陷，使得超声波电机可以满足需要中空结构的应用场景。
6.本实用新型提供一种超声波电机，包括转子、定子、底座和转轴，其特征在于，所述底座通过轴承与所述转轴相连，所述转轴的一端具有沿径向向外凸出的台阶，所述转轴的另一端具有卡簧，其中，所述转子、所述定子、所述底座和所述轴承均位于所述台阶和所述卡簧之间。
7.优选地，所述转子形变产生的压力作为所述转子与所述定子之间的预压力。
8.优选地，所述底座的中间位置包括凸台，所述定子在所述凸台处与所述底座粘接相连。
9.优选地，所述定子与所述转子在两者的外圈相接触，所述定子与所述转子之间还具有摩擦层，所述摩擦层贴装于所述转子的底面。
10.优选地，所述定子与所述转子相接触的位置具有齿槽，所述齿槽位于所述定子的外围上端面，所述齿槽沿周向均匀排布。
11.优选地，所述定子的背面与所述齿槽相对应的设置有压电陶瓷，所述压电陶瓷与所述定子相粘接。
12.优选地，所述轴承位于所述底座的背面，所述轴承至少部分嵌入所述底座中。
13.优选地，所述轴承与所述底座为过盈连接。
14.优选地，所述转轴的一端还包括与所述转轴同步转动的码盘，所述底座还设置有与所述码盘相对应编码器。
15.优选地，所述轴承包括推力球轴承、推力滚子轴承、滚针轴承中的至少一种。
16.优选地，所述卡簧与所述台阶之间的距离小于所述转子、所述定子、所述底座和所述轴承叠加后的厚度之和。
17.优选地，所述卡簧与所述台阶之间的距离小于所述转子、所述定子、所述底座和所述轴承叠加后的厚度之和，其差值例如为0.5-1.5mm。
18.优选地，所述转子包括内缘、辐板和外缘，所述内缘与所述外缘通过所述辐板相连，所述辐板为倾斜辐板，使所述转子在未被压迫时所述内缘略高于所述外缘，所述转子的内缘与所述转轴的台阶相接触。
19.优选地，所述转轴与所述转子以及所述码盘之间还设置有定位销，以保证所述转子及所述码盘与所述转轴之间同步转动。
20.优选地，所述转子、所述定子、所述底座和所述轴承均为环形，且同轴套设在所述转轴上，所述转轴为中空转轴。
21.本实用新型提供的超声波电机，通过改变转子的形态和整体设计，一方面，转轴的一端具有沿径向向外凸出的台阶，转轴的另一端具有卡簧，转子、定子、底座和轴承均位于台阶和卡簧之间，利用转子自有形变产生的压力作为预压力以替代相关弹簧件，缩小了超声波电机的厚度尺寸，同时简化了结构，降低了成本；另一方面，定子与底座之间采用粘接的方式进行连接，省去了螺栓连接所需的螺栓及孔位。
22.进一步地，在保证转动扭矩转速以及高精度的同时，转轴的中空设计可适用于需要中空结构的高精密旋转平台，转轴下端的编码器反馈系统使超声波电机实现闭环控制，可实时反馈位置及运行状态，提高精度与效率。
附图说明
23.通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
24.图1示出了本实用新型实施例超声波电机的三维俯视图；
25.图2示出了本实用新型实施例超声波电机的三维仰视图；
26.图3示出了本实用新型实施例超声波电机的侧视图；
27.图4示出了本实用新型实施例超声波电机转子的截面示意图；
28.图5示出了本实用新型实施例超声波电机的纵向截面图。
具体实施方式
29.以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
30.应当理解，在描述结构时，当将一个部件、一个区域称为位于另一部件、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一部件、另一个区域上面，或者在其与另一部件、
另一个区域之间还包含其它的部件或区域。并且，如果将零件翻转，该部件或区域将位于另一部件、另一个区域“下面”或“下方”。
31.如果为了描述直接位于另一部件、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在
……
上面”或“在
……
上面并与之邻接”的表述方式。
32.在下文中描述了本实用新型部分实施例的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。
33.本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
34.图1和图2分别示出了本实用新型实施例超声波电机三维视图中的俯视图和仰视图，图中可见该超声波电机包括：转轴110、转子120、定子130、底座140、轴承150、码盘161和编码器162，其中，转子120、定子130、底座140和轴承150例如均为环形，中部具有通孔，且均同轴设置，转轴110例如沿轴线贯穿转子120、定子130、底座140和轴承150，转轴110例如为内部中空的转轴。转轴110的底端一侧设置有环形的码盘161，码盘161的内圈与转轴110采用粘接工艺相连。在底座140的下方设置有与码盘161相对应的编码器162，该编码器162例如为光电编码器(光电传感器)，码盘161的边缘例如等分的开有若干孔洞163，码盘161与转轴110同步转动，通过为码盘161设置初始位置以及计算编码器162输出脉冲的个数、频率就能获取当前超声波电机旋转的角度及转速。
35.定子130位于底座140上，定子130的外围上端面沿周向均匀设置有齿槽131，定子130与转子120在两者的外圈(齿槽区域)相接触，转子120与定子130之间还设置有摩擦层121，底座140的下方与轴承150的外圈为过盈配合，底座140的外圈边缘还设置有固定孔141，例如用于穿过螺栓等进行固定。
36.图3示出了本实用新型实施例超声波电机的侧视图；从该图中可以看出，定子130的下方与齿槽131相对应的位置还设置有压电陶瓷132，压电陶瓷132例如也为中空的环形结构，粘接在定子130的底面，压电陶瓷132例如与定子130上的齿槽131相对应，轴承150的外圈与底座140背面的中空部分过盈连接，轴承150的下方还设置有卡簧151，卡簧151通过转轴110上的卡槽与转轴150相连，卡簧151的内圈与轴承150的外圈相接触，对轴承150在轴向上进行固定。转轴110的一端(上端)具有沿径向突出的台阶111，台阶111的底面与转子120的内缘上表面相接触，底座140的中间位置具有向上突出的凸台142，定子130固定在底座140的凸台142上，两者通过胶水固定连接。
37.通过转轴110上端的台阶111与转轴110下端的卡簧151将转子120、定子130、底座140和轴承150夹在其中；具体地，转子120的辐板具有一定的形变能力，其自身形变产生的压力可以提供转子120与定子130之间的预压力，从而省去弹簧等用于提供预压力的部件，有利于缩减该超声波电机的厚度，减少零部件数量；台阶111的底面与卡槽顶面之间的距离略小于转子120、摩擦层121、定子130、底座140和轴承150叠加后的厚度之和，其差值例如为0.5-1.5mm，以使安装后转子120具有朝向定子130的压力。基于热胀冷缩原理，可采用液氮先行对定子130、底座140等进行冷却，以在短时间内减小其在轴向的尺寸，便于进行装配。由于预压力的存在，轴承150可以选用具有一定轴向承载能力的推力滚子轴承、推力球轴承、滚针轴承中的至少一种。
38.图4示出了本实用新型实施例超声波电机转子的截面示意图；该转子120与转轴
110相连并同步转动，该转子120包括内缘122、辐板123和外缘124，其中，内缘122例如略高与外缘124，两者通过辐板123相连，内缘122的中间具有通孔126，转轴110从通孔126中穿过，转轴110的台阶111的底面与内缘122的上表面相接触并提供向下的压力，外缘124的下表面通过摩擦层121与定子130相接触，在定子130与台阶111的挤压下，内缘122与外缘124的高度逐步统一，辐板123发生形变，并对应产生向下的压力，为转子120与定子130之间提供预压力。
39.图5示出了本实用新型实施例超声波电机的纵向截面图。从该纵向截面图中可以清楚的看到各部件的结构和组合方式，转轴110的内部为中空设计，转轴110的上端的台阶111的下表面与转子120的内缘122的上表面接触，转子120的外缘124的下表面与定子130的齿槽131部分的上表面相接触，转子120与定子130之间还具有摩擦层121，摩擦层121例如贴装在转子120的下表面，在转子120旋转时，摩擦层121与齿槽131相接触，定子130的底面在与齿槽131相对应的位置粘接有压电陶瓷132，定子130的内缘下表面与底座140的中间的凸台142通过胶水粘接，保证定子130与底座140连接的紧密度和平行度，该设计可以省去此处的螺丝固定结构；对应地，底座140的底面嵌有轴承150，即轴承150至少部分嵌入底座140中，轴承150例如与底座140之间为过盈配合，在转轴110的另一端(下端)还具有卡槽112，卡槽112用于设置卡簧151，卡簧151与转轴110的台阶111之间的距离略小于转子120、摩擦层121、定子130、底座140和轴承150叠加后的厚度之和，使转子120与定子130紧密贴合，以保证夹在之间的转子120与定子130之间具有压力。转轴110的卡槽112的下方还设置有码盘161，码盘161与转轴110固定连接并同步转动，具体地，转轴110与转子120及码盘161之间还可设置有类似定位销的定位结构，以保证转子120及码盘161与转轴110之间同步转动。底座140的背面还设置有与码盘161相对应的编码器162，编码器162通过码盘161来获取转轴110的转动角度和转速等信息，实现运动反馈，对超声波电机进行闭环控制。转子120、定子130、底座140、轴承150、压电陶瓷132、摩擦层121、码盘161均为中空的环形结构，且均同轴设置，套设在中空的转轴110上，以满足需要中空结构的应用场景。
40.本实用新型的超声波电机工作时，定子130和底座140保持静止，转子120与定子130作相对圆周旋转，转子120内缘的上表面与转轴110的台阶111的下表面紧密接触，以带动转轴110一起转动。转轴110的上端例如为输出扭矩端。
41.本实用新型提供的超声波电机，通过改变转子的形态和整体设计，一方面，转轴的一端具有沿径向向外凸出的台阶，转轴的另一端具有卡簧，转子、定子、底座和轴承均位于台阶和卡簧之间，利用转子自有形变产生的压力作为预压力以替代相关弹簧件，缩小了超声波电机的厚度尺寸，同时简化了结构，降低了成本；另一方面，定子与底座之间采用粘接的方式进行连接，省去了螺栓连接所需的螺栓及孔位。
42.进一步地，在保证转动扭矩转速以及高精度的同时，转轴的中空设计可适用于需要中空结构的高精密旋转平台，转轴下端的编码器反馈系统使超声波电机实现闭环控制，可实时反馈位置及运行状态，提高精度与效率。
43.在以上的描述中，对于各部件的位置组合、连接方式等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需连接关系等。另外，为了具有同一功能，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的结构并不完全相同的结构。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不
能有利地结合使用。
44.以上对本实用新型的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本实用新型的范围。本实用新型的范围由所附权利要求及其等效限定。不脱离本实用新型的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本实用新型的范围之内。